一种具有ito纳米柱网状薄膜的led管芯及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，该方法是在真空环境下利用VLS晶体生长机理在LED外延片表面电子束直接蒸发ITO纳米柱网状薄膜，所述VLS生长机理为在一定温度下、在LED外延片上形成金属液滴，ITO气相原子或分子不断向金属液滴中溶解析出，实现ITO以晶须的方式生长，形成ITO纳米柱网状薄膜。本发明制备该薄膜通过特殊工艺参数运用VLS晶体生长机理具有晶体的特点，同时该薄膜无序排列呈网状，具有LED表面电流扩展和粗化光提取的效果。通过电子束蒸发方式在真空环境下能实现LED器件上规模量产，同时制备的纳米柱网状薄膜由于方向无序排列，纳米柱波导可实现大角度出光的目的，能很大程度提高取光效率，工艺技术简单，器件性能指标高。
【专利说明】—种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯及其制备方法，属于光电子器件应用的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着LED在照明和显示屏方面的广泛应用，对LED管芯的性能指标要求越来越高，如何提高GaN LED的出光强度，成为产品市场竞争中的热点。MOCVD外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延生长、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，外延片的内量子效率已有很大提高。像AlInGaP基LED，内量子效率已接近极限，可达100%。由于LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的出光效率，提高LED发光效率的关键是提高芯片的外量子效率，这在很大程度上取决于芯片的出光效率。
[0003]表面粗化能通过改变出射光的方向减少反射增加有效出光面积提高取光效率，同时不损伤材料的光电特性。表面粗化作用是增加透射率，将满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面被反射回原表面时不被全反射而透过界面，起防反射功能。光子的反射路径被封闭在纹理结构之中，使有源层发出的光子能够有效的被取出。纹理表面不影响光束角特性，且适用于比例放大的功率型大尺寸LED芯片。表面粗化与表面粗糙度，晶粒尺寸及晶粒密度有必然的联系。在考虑出光率的同时，必须尽量减小对电学性能降低的风险。除了表面粗化，芯片侧面也可以粗糙化以提高出光效率。侧面粗化后芯片的外量子效率可以超过30%。侧面粗化不容易控制，容易对器件造成很大的损伤，研究表明，侧面粗化为三角状，55°时的出光效率最高。同时，降低材料的吸收系数可以很大提高LED的出光效率，在吸收系数为10/cm时，经过粗化后的LED出光效率可以达到46.1%。
[0004]光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。LED发出光中心在周围多种介质包覆下大多数光不能耦合出去，光辐射效率低，如果将LED发光中心置于特定的光子晶体中，设计发光中心的自发辐射频率与光子晶体的光子禁带重合，光就不会被反射而是沿着特定的方向辐射出去。目前主要用二维光子晶体来提高LED的出光效率，其影响出光效率的主要因素有光子晶体的结构，晶格常数和闻度等。利用光子晶体提闻LED出光效率的作用方式主要有利用光子禁带效应原理和利用光栅衍射效应原理。光子晶体只能有助于特定方向光出射，优化光子晶体参数的同时，与其他提高出光效率的技术相结合，是下一阶段的研究趋势。通过粗化芯片能有效改善光出射角度提高光提取效率，通过光子晶体技术能最大程度提高特定方向的取光效率。但光子晶体制备工艺限制该技术在LED上应用。
[0005]中国专利申请CN101931053A公开了关于一种氧化铟锡(ITO)立体电极及其制备方法。该发明的氧化铟锡立体电极包括一导电层以及复数个氧化铟锡导电纳米柱，形成于导电层的表面，且其氧化铟锡纳米柱的长度可调变范围为1nm至1500nm，应用于有机太阳能电池的最佳长度可调变范围为50nm至200nm。发明的具有立体结构的氧化铟锡电极用于有机光电组件(如:有机太阳能电池、有机发光二极管等)时，可增加主动层与电极的接触面积，有效提升电流注入或导出的效率。但该专利中ITO立体电极实现主要通过电子束的斜向蒸镀，薄膜还是处于物理蒸镀的过程，还不能直接应用现有半导体产线设备直接实现立体电极蒸镀。
[0006]文章“Vol.17，N0.23/OPTICS EXPRESS200921250-21256” 给出了一种应用电子束倾角蒸发ITO纳米柱用于GaN LED上提高出光效率的方法，但该方法中提到电子束蒸发需要倾角蒸发，气体氛围为N2环境，另外文章中提到的制备的ITO纳米柱薄膜不能用于电流扩展层，需要在已有一层薄ITO普通薄膜基础上制备，才能作为有效提高出光的电流扩展层。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法。本发明根据有效提高LED光提取效率的原理，给出了一种利用电子束直接蒸发无序纳米柱网状排列LED表面薄膜的LED管芯，其中制备的ITO纳米柱网状薄膜是通过特殊工艺参数运用VLS (vapor-liquid-solid)晶体生长机理具有晶体的特点，同时该薄膜无序排列呈网状，具有LED表面电流扩展和粗化光提取的效果。通过电子束蒸发方式在真空环境下能实现LED器件上规模量产，同时制备的ITO纳米柱网状薄膜能很大程度提高取光效率，工艺技术简单，器件性能指标高。
[0008]本发明还提供了一种利用上述方法制备的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯。
[0009]名词解释:
[0010]1、ITO:Indium Tin Oxide 惨锡氧化铟；
[0011]2、VSL:vapor-liquid_solid 汽液固法；
[0012]3、LED:light emitting d1de 发光二极管。
[0013]发明的技术方案如下:
[0014]一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，包括以下步骤:
[0015]步骤I)对LED外延片清洗；
[0016]步骤2)在清洗后LED外延片上制备ITO纳米柱网状薄膜，所述制备该方法是在高温真空环境下利用VLS晶体生长机理在LED外延片表面电子束直接蒸发ITO纳米柱网状薄膜，所述高温环境，是指高温下电子束将ITO源汽化分解，所述真空环境是为了使汽化分解后的ITO源在LED外延片表面沉积前部分失去氧析出金属单质:所述的在高温真空环境下利用VLS生长机理为ITO在电子束轰击下高温汽化分解，因缺氧而使得含有金属In、金属Sn的ITO在蒸发过程中遇到LED外延片表面，液化成金属液滴，ITO气相原子或分子在金属液滴催化剂作用下溶解、析出，生长出一根根ITO纳米柱，所述ITO纳米柱生长到一定长度后，界面应力使其弯曲倒塌，从而导致方向无序排列，随着不断有ITO纳米柱生长及弯曲铺展，最后形成ITO纳米柱网状薄膜，实现大角度出光；
[0017]步骤3)在经步骤2)处理后的LED外延片上制备欧姆接触层，即制备LED芯片的P电极和N电极，最终制成LED管芯。
[0018]根据本发明优选的，所述步骤2)中所述ITO源在电子束轰击下高温汽化分解，其中通氧量彡3sCCm/m3’，其真空度彡4X10_5Pa的真空环境，LED外延片表面温度为260-330。。。
[0019]根据本发明优选的，所述步骤2)中所述ITO纳米柱生长到50_200nm长度后发生弯曲倒塌。
[0020]根据本发明优选的，所述步骤I)中，所述对LED外延片的清洗方法为:用丙酮煮去LED外延片表面油脂，利用乙醇或异丙醇去除丙酮，利用还原性盐酸或王水去除LED外延片表面氧化层，最后用去离子水对LED外延片清洗干净并烘干。
[0021]根据本发明优选的，所述步骤2)中形成的ITO纳米柱网状薄膜的厚度范围200_400nm。
[0022]本发明还提供了一种利用上述方法制备的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯，包括LED外延片及在所述LED外延片上制备的ITO纳米柱网状薄膜。
[0023]根据本发明优选的，所述ITO纳米柱网状薄膜的厚度为200_400nm。
[0024]对于本领技术人员来说，上述的以及后面实施例中温度、真空度等参数的具体要求均为优选的实施方式，除了上述具体的数值之外其他的可行数值也是可以的，所以本发明的保护范围并不只限于上述具体的数值，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
[0025]本发明的有益效果:
[0026]本发明所述的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，该方法采用特殊工艺蒸镀ITO纳米柱网状薄膜，该薄膜直接用于LED透明导电层，经过LED工艺过程，制备出LED管芯。相比普通的导电薄膜，本发明所述的ITO纳米柱网状薄膜不仅电流扩展均匀，同时还能极大程度提高LED的光提取效率达30%以上。
[0027]所述制备ITO纳米柱网状薄膜，是在本发明所述特定的高温真空条件下，发明中所指的高温真空环境，是指高温电子束能将ITO源汽化分解，真空环境指分解源的金属单质在沉积前并没有全部被氧化。根据VLS生长机理，在基底上一定温度下形成金属液滴，ITO气相原子或分子不断向金属液滴中溶解，而在另一面析出，实现ITO晶体生长的方法。本发明所述ITO纳米柱网状薄膜的制备不需要任何额外产线设备添加或改造，易于实现规模化量产。
[0028]本发明直接在现有电子束蒸发设备上，通过改变蒸发工艺条件，实现蒸发ITO纳米柱网状薄膜。所制备的ITO纳米柱网状薄膜被直接用于LED芯片上作为透明电流扩展层，其与普通ITO薄膜相比，不仅电流扩展均匀，光效率提高30%以上。相比与其它纳米结构而言，其制备工艺简单，适合批量化生产推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1:ΙΤ0纳米柱网状薄膜表面俯视效果图；
[0030]图2:普通ITO导电薄膜表面效果图；
[0031]图3:ΙΤ0纳米柱网状薄膜VLS生长过程图；
[0032]图4:应用ITO纳米柱网状薄膜的GaN LED结构图；
[0033]图5:应用ITO纳米柱网状薄膜LED和普通ITO LED亮度实验对比图；
[0034]图6:应用ITO纳米柱网状薄膜的GaAs LED结构图。
[0035]其中，其中，1、LED外延片，2、金属液滴，3、ITO气相源，4、ITO纳米晶须；5、衬底，6、N型层，7、有源区，8、P型层，9、ITO纳米柱网状薄膜，10、P电极，11、N电极。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0037]如图1、3、4、6 所示。
[0038]实施例1、
[0039]本实施例中的LED外延片为GaN外延片。
[0040]一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，包括以下步骤:
[0041]步骤I)对GaN外延片清洗干净，所述对LED外延片的清洗方法为:用丙酮煮去LED外延片表面油脂，利用乙醇或异丙醇去除丙酮，利用还原性盐酸或王水去除LED外延片表面氧化层，最后用去离子水对LED外延片清洗干净并烘干；
[0042]步骤2)在清洗后LED外延片上制备ITO纳米柱网状薄膜，所述制备该方法是在高温真空环境下利用VLS晶体生长机理在LED外延片表面电子束直接蒸发ITO纳米柱网状薄膜，所述高温环境，是指高温下电子束将ITO源汽化分解，其中通氧量为lsccm/m3’，其真空度彡4X 10_5Pa的真空环境，LED外延片表面温度为300°C
[0043]所述真空环境是为了使汽化分解后的ITO源在LED外延片表面沉积前部分失去氧析出金属单质:所述的在高温真空环境下利用VLS生长机理为ITO在电子束轰击下高温汽化分解，因缺氧而使得含有金属In、金属Sn的ITO在蒸发过程中遇到LED外延片表面，液化成金属液滴，ITO气相原子或分子在金属液滴催化剂作用下溶解、析出，生长出一根根ITO纳米柱(如图3所示)，所述ITO纳米柱生长到50-200nm长度后，界面应力使其弯曲倒塌，从而导致方向无序排列，随着不断有ITO纳米柱生长及弯曲铺展，最后形成厚度为300nm的ITO纳米柱网状薄膜，实现大角度出光；
[0044]步骤3)在经步骤2)处理后的LED外延片上制备欧姆接触层，即制备LED芯片的P电极和N电极，最终制成LED管芯，具体操作如(i)-(iv):
[0045]⑴经过光刻LED图形，腐蚀掉N型GaN区上的ITO纳米柱网状薄膜；
[0046](ii)在腐蚀掉ITO纳米柱网状薄膜的区域ICP刻蚀出N区GaN，以便于制备N电极；500°C高温合金，使得ITO纳米柱网状薄膜与P型GaN表面形成良好的欧姆接触层，同时提高ITO纳米柱网状薄膜的附着性；
[0047](iii)制备P电极和N电极；
[0048](iv)对LED管芯进行研磨切割，测试分类。
[0049]实施例2、
[0050]如图4所示。
[0051]本实施例提供了一种利用如实施例1所述方法制备的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯，包括GaN外延片及在所述GaN外延片上制备的ITO纳米柱网状薄膜。所述ITO纳米柱网状薄膜的厚度为300nm。
[0052]对比例1、
[0053]如图2所示，制备有普通ITO导电薄膜的LED管芯。
[0054]对比例I所制备的LED管芯与实施例1所制备的ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的尺寸和功率完全相同，将上述两种LED管芯进行亮度对比试验，如图5所示，应用ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯与普通ITO LED管芯相比，其亮度提升达40%以上。
[0055]实施例3、
[0056]如图6所示。
[0057]如实施例1所述的一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其区别在于，所述LED外延片为AlGaInP四元红黄光的GaAs四元外延片；
[0058]所述步骤(I)对GaAs四元外延片清洗去背磷；
[0059]所述步骤(2)在高温真空氛围下利用电子束直接在GaAs四元外延片蒸发ITO纳米柱网状薄膜，其中GaAs四元外延片表面的温度为260°C，通氧量为Osccm/m3，真空度(3 X KT5Pa的真空环境，蒸镀ITO纳米柱网状薄膜220nm ；
[0060]所述步骤(3)在经步骤(2)处理后的LED外延片上制备欧姆接触层，即制备LED芯片的P电极和N电极，最终制成LED管芯，具体操作如(i)-(iv):
[0061](i)经过光刻LED图形，腐蚀掉解离槽上的ITO纳米柱网状薄膜；
[0062](ii)450摄氏度高温合金，使得ITO纳米柱网状薄膜与GaP表面形成良好的欧姆接触层，同时提高ITO纳米柱网状薄膜的附着性；
[0063](iii)制备P电极；研磨GaAs衬底，制备N面电极；
[0064](iv)对LED管芯进行研磨切割，测试分类。
[0065]实施例4、
[0066]本实施例提供了一种利用如实施例3所述方法制备的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯，包括GaAs四元外延片及在所述GaAs四元外延片上制备的ITO纳米柱网状薄膜。所述ITO纳米柱网状薄膜的厚度为220nm。
【权利要求】
1.一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤I)对LED外延片清洗； 步骤2)在清洗后LED外延片上制备ITO纳米柱网状薄膜，所述制备该方法是在高温真空环境下利用VLS晶体生长机理在LED外延片表面电子束直接蒸发ITO纳米柱网状薄膜，所述高温环境，是指高温下电子束将ITO源汽化分解，所述真空环境是为了使汽化分解后的ITO源在LED外延片表面沉积前部分失去氧析出金属单质:所述的在高温真空环境下利用VLS生长机理为ITO在电子束轰击下高温汽化分解，因缺氧而使得含有金属In、金属Sn的ITO在蒸发过程中遇到LED外延片表面，液化成金属液滴，ITO气相原子或分子在金属液滴催化剂作用下溶解、析出，生长出一根根ITO纳米柱，所述ITO纳米柱生长到一定长度后，界面应力使其弯曲倒塌，从而导致方向无序排列，随着不断有ITO纳米柱生长及弯曲铺展，最后形成ITO纳米柱网状薄膜，实现大角度出光； 步骤3)在经步骤2)处理后的LED外延片上制备欧姆接触层，即制备LED芯片的P电极和N电极，最终制成LED管芯。
2.根据权利要求1所述的一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述ITO源在电子束轰击下高温汽化分解，其中通氧量<3sCCm/m3’，其真空度彡4X 10_5Pa的真空环境，LED外延片表面温度为260_330°C。
3.根据权利要求1所述的一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中所述ITO纳米柱生长到50-200nm长度后发生弯曲倒塌。
4.根据权利要求1所述的一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中，所述对LED外延片的清洗方法为:用丙酮煮去LED外延片表面油月旨，利用乙醇或异丙醇去除丙酮，利用还原性盐酸或王水去除LED外延片表面氧化层，最后用去离子水对LED外延片清洗干净并烘干。
5.根据权利要求1所述的一种具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中形成的ITO纳米柱网状薄膜的厚度范围200-400nm。
6.一种利用如权利要求1所述方法制备的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯，其特征在于，该LED管芯包括LED外延片及在所述LED外延片上制备的ITO纳米柱网状薄膜。
7.根据权利要求6所述的具有ITO纳米柱网状薄膜的LED管芯，其特征在于，所述ITO纳米柱网状薄膜的厚度为200-400nm。
【文档编号】C23C14/30GK104241482SQ201310248223
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】沈燕, 徐现刚, 刘青, 徐化勇, 王英 申请人:山东华光光电子有限公司